(57)【要約】２つ以上の媒体を含み、混合イオン交換媒体の性能を制御するためのシステム及び方法を開示する。第１の交換速度を有する第１の媒体の量の、第２の交換速度を有する第２の媒体の量に対する加重平均が、結果として生じる混合媒体の予め決定されている要件に基づいて決定される。加重平均を決定した後、第１及び第２の媒体を混合して、第３の交換速度を有する混合媒体を得る。混合媒体を、イオン交換カラムに導入する。その後、汚染された液体をカラムに導入して、カラム内に物質移動ゾーンを作り出す。混合媒体は一般に、その媒体が３つの条件同時に満たす場合、すなわち、１００％安全性限度、媒体容量限界１００％使用及び流出基準を満たす場合に、最適化されたと考える。【選択図】  図４Ｂ
2019527125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換媒体及びイオン交換システムのうちの少なくとも１つの性能を制御する方法であって、
第１の交換速度及び第１の容量限界を有する第１のイオン交換媒体の第１の量の、第２の交換速度及び第２の容量限界を有する第２のイオン交換媒体の第２の量に対する加重平均を決定するステップであり、前記加重平均が、前記第１の交換速度及び前記第２の交換速度と異なる第３の交換速度である、ステップ、
前記加重平均を決定することに応答して、前記第１の量を前記第２の量と混合して前記第３の交換速度を有する混合イオン交換媒体の第３の量を生成するステップ、
前記混合イオン交換媒体をカラムに導入するステップ、並びに
汚染された液体を前記カラムに導入するステップであり、前記汚染された液体の前記混合イオン交換媒体への導入が、前記カラム内に物質移動ゾーンを作り出し、前記物質移動ゾーンが、前記第３の交換速度で前記カラムを移動する、ステップ
を含む、方法。
【請求項２】
前記汚染された液体が、１種又は複数種の陽イオンを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１及び第２のイオン交換媒体が、陽イオン交換媒体である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１及び第２のイオン交換媒体が、陰イオン交換媒体である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１及び第２の容量限界の前記加重平均が、前記カラムの総イオン交換容量限界である、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
センサーで前記カラムをモニタリングすることをさらに含み、前記センサーが、前記汚染された液体についての放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを検出する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記センサーで放射能及びイオン濃度の少なくとも１つを検出することに応答して、前記汚染された液体の流入濃度、前記カラム内の圧力、前記カラム内の流れ、及び前記カラム内の温度のうちの少なくとも１つを変化させることにより前記汚染された液体及び前記混合イオン交換媒体の間での反応速度を調節する、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記第３の交換速度及び所望のアウトプット濃度に基づいて複数のカラムを使用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１の媒体の比及び前記第２の媒体の比が、前記カラムの選択された線量率に基づいて決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の媒体の比及び前記第２の媒体の比が、所定の時間での流出要件に基づいている、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１及び第２の量が、所望の交換速度に基づいて選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合イオン交換媒体及び汚染された液体を、直列及び並列のうちの少なくとも一方で接続された複数のカラムに導入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１の交換速度が、前記第２の交換速度未満である、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
汚染された液体の処理のためのシステムであって、
少なくとも第１の陽イオン及び第２の陽イオンを含む、汚染された液体、並びに
第１の陽イオン交換媒体及び第２の陽イオン交換媒体の混合物を含む混合床イオン交換カラムであり、前記混合物が、前記第１及び第２の陽イオンの同時交換を可能にし、前記混合物が、等しいか又は異なる誘引強度で前記第１の陽イオンの同時交換をさらに可能にする、混合床イオン交換カラム
を含み、前記混合床イオン交換カラムが、
前記汚染された液体における前記第１及び第２の陽イオンの濃度を決定するステップ、
最大限に投入されたときの前記混合床イオン交換カラムの安全性及び線量限度を決定するステップ、
前記第２のイオン交換媒体に対する前記第１のイオン交換媒体の比を決定するステップであり、前記比が、特定のイオンを標的とする前記混合媒体の予め決定されている交換に基づいており、前記比が、前記混合床イオン交換カラムの前記総イオン交換容量限界を表す、ステップ、
センサーで前記混合床イオン交換カラムをモニタリングするステップであり、前記センサーが、前記汚染された液体についての放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを検出する、ステップ、並びに
前記汚染された液体における放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを使用して、物質移動ゾーンの速度及び物質移動ゾーンの長さを決定することの少なくとも１つにより前記イオン交換カラムのサイズを決定するステップ
により操作するように構成されている、汚染された液体の処理のためのシステム。
【請求項１５】
センサーが放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを検出するために使用され、反応速度が、前記第１及び第２の陽イオンの濃度、圧力、流れ及び温度のうちの少なくとも１つを変化させてイオン交換速度を管理することにより調節される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記イオン交換カラムが、水性及びその他のイオン含有液体の精製、分離及び除染のうちの少なくとも１つのためのものである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１及び第２の陽イオン交換媒体が、機能性多孔質ソルベント及びゲル重合体イオン交換ソルベントのうちの少なくとも１つで構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１及び第２の陽イオン交換媒体が、さらに、ゼオライト、モンモリロナイト、粘土、ケイ酸チタン、アルカリ金属−金属硫化物、金属有機構造体材料及び土壌腐植質のうちの少なくとも１つで構成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１９】
イオン交換が、２つの電解質の間のイオンの交換及び電解質溶液と金属錯体との間のイオンの交換のうちの少なくとも１つである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項２０】
前記センサーが、放射能を検出する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２１】
前記センサーが、ガンマセンサーであり、ガンマ放射能を検出し、前記ガンマ放射能が全放射能である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２２】
前記センサーが、物質移動ゾーンでのエネルギースペクトルガンマ線源を定量的に決定するように構成されたガンマ線分光法センサーである、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２３】
前記センサーが、前記汚染された液体及び流出のうちの少なくとも１つの濃度を測定するための誘導結合プラズマ質量分析装置である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項２４】
前記第１及び第２の陽イオン交換媒体が、不溶性重合体媒体及び鉱物性の不溶性媒体のうちの少なくとも１つである、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［著作権掲示］
[0001]本明細書には、著作権保護の対象となる内容が含まれる。著作権所有者は、特許文書又は特許開示物のファクシミリ複写について、米国特許商標局の特許ファイル又は記録における場合は、いかなる者によってなされるものも異議はないが、そうでない場合については、あらゆる著作権について全ての権利を留保する。以下の通知は、本明細書で以下に記載するソフトウェア、スクリーンショット及びデータ並びに本明細書に添付の図面に記載するそれらに適用され、全ての権利が保護される。
【０００２】
［関連出願］
[0002]以下の出願は、２０１６年６月１６日出願の米国特許仮出願第６２／３５１，１９０号に基づく優先権を主張し、その全体が参照により組み込まれる。
【０００３】
［技術分野］
[0003]この開示は、一般には、イオン交換媒体に関し、より詳細には、イオン交換媒体性能の制御に関する。
【０００４】
［背景］
[0004]水は、核反応器に関連して多くの目的で頻繁に使用される。例えば、水は、種々のタイプの反応器での減速体、反射体、溶媒又は冷却剤として使用できる。反応コア及び放射線源に近いことにより、使用される水は、様々な量の放射性汚染物質でほとんどいつも汚染されるようになる。このような汚染物質は、例えば、ストロンチウム、トリウム、ヨウ素、プルトニウム及びウランの放射性同位体を含む。
【０００５】
[0005]産業界は、再利用を可能にするか又は簡便な水の最終廃棄を可能にするかのいずれかのために、そのような水からの放射性イオンの除去を発展させてきた。イオン交換媒体は、水から放射性汚染物質を除去するために使用することができる。一般的に、これは、陰イオン及び陽イオンの両方を除去するために、混合イオン交換媒体、すなわち陽イオン交換媒体及び陰イオン交換媒体の混合物を含有するイオン交換媒体での水の処理を含む。このようなプロセスでは、イオン交換媒体は、普通は使用後に廃棄される。汚染物質の蓄積の間及び後には、重大な害を防止するために、適切な遮蔽物などを利用しなければならない。イオン交換媒体が占める比較的大きな体積から見て、適切な遮蔽物として必要とされる材料のコストは高い。
【０００６】
[0006]イオン交換媒体により処理された流れは、保存又は環境への遊離放出についての厳密な基準を満たさなければならない。政府及び国際当局は、放出水のモニタリングを必要とする。
【０００７】
[0007]「混合床」は、イオン交換を介する液体処置の性能を制御する１つ又は複数の類似媒体（ｌｉｋｅ−ｍｅｄｉａ）から作り出される。類似媒体は、２つ以上の陽イオン媒体又は２つ以上の陰イオン媒体を含んでいてもよい。２つ以上の類似媒体を、イオン交換カラムの総イオン交換容量限界（ｔｏｔａｌ  ｉｏｎ  ｅｘｃｈａｎｇｅ  ｃａｐａｃｉｔｙ）、カラムの長さ、及び物質移動ゾーンの速度を改善し、安全性パラメーター及び流出目標を制御するために、組み合わせてもよい。本明細書に開示されているシステム及び方法は、核廃水処置以外の用途で使用されてもよい（例えば、重金属排水処置）。
【０００８】
[0008]詳細な説明の複雑さ及び長さを減らすために、本明細書の出願人（複数可）は、以下の各段落で特定される以下の資料の全てを参照により明確に組み込む。組み込まれる資料は、必ずしも「先行技術」でなく、出願人（複数可）は、組み込まれるいかなる資料についても、宣誓する権利を明確に留保する。
【０００９】
[0009]Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ  Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｗａｓｔｅ  Ｃａｐｔｕｒｅと題される、２０１６年６月１６日出願の米国特許仮出願第６２／３５１，１９０号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１０】
[0010]Ｍｏｂｉｌｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍと題される、優先日２０１４年６月２４日で２０１５年６月２４日出願の米国特許出願第１４／７４８，５３５号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１１】
[0011]Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ  Ｈｅｘａｖａｌｅｎｔ  Ｃｈｒｏｍｉｕｍ  ｉｎ  Ｗａｔｅｒと題される、２０１４年９月２４日出願の米国特許仮出願第１４／４９５，８０１号は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【００１２】
[0012]上記で組み込んだ資料は、当業界の背景を示すか又は当業界の現状を例示する目的で言及されるものであるので、米国特許法施行規則１．５７により「非本質的」（ｎｏｎ−ｅｓｓｅｎｔｉａｌ）であると出願人（複数可）は考える。しかし、審査官が、上記で組み込んだ資料のいずれかが、米国特許法施行規則１．５７（ｃ）（１）〜（３）の意味の範囲内で「本質的資料」を構成すると考える場合、出願人（複数可）は、適用される規則により認められるように、参照により組み込まれる本質的資料を明確に記載するべく明細書を補正する。
【００１３】
[0013]本明細書で提示する態様及び用途は、以下の図面及び詳細な説明において記載される。特段に断らない限り、明細書及び特許請求の範囲中の語及び語句には、平易で通常の、当業者が慣用する意味を付与されることが意図される。発明者らは、所望する場合には、彼らが彼ら自身の辞書編集者でありうることを十分に認識している。発明者らは、そうではないことを明確に述べ、さらにその用語の「特別な」定義を明確に説明し、平易で通常の意味とどのように異なるかを説明しない限り、明細書及び特許請求の範囲において平易で通常の意味の用語のみを使用することを、彼ら自身の辞書編纂者として明確に選択する。「特別な」定義を適用することを意図するそのような明瞭な記述がない場合には、その用語の簡単で平易で通常の意味が明細書及び特許請求の範囲の解釈に適用されることが、発明者らの意図であり望みである。
【００１４】
[0014]発明者らは、英文法の通常の規範も認識している。したがって、名詞、用語又は語句が、何らかの点で、さらに特徴づけられ、特定され又は狭められることが意図される場合、そのような名詞、用語又は語句は、英文法の通常の規範により、追加の形容詞、説明的用語又は他の修飾語を明確に含むであろう。このような形容詞、説明的用語又は修飾語の使用がない場合には、そのような名詞、用語又は語句には、上に説明した通り、平易で、当業者にとって通常の英語の意味を付与することが意図される。
【００１５】
[0015]さらに、発明者らは、米国特許法第１１２条６項の特則の但書きの基準及び適用を十分に知らされている。したがって、詳細な説明又は図面の説明又は特許請求の範囲での語「機能」、「手段」又は「ステップ」の使用は、本明細書で開示されるシステム、方法、プロセス、及び／又は装置を定義するために米国特許法第１１２条６項の特則の条項の適用を望むことを何らかの形で示すことを意図するものではない。反対に、米国特許法第１１２条６項の但書きを、実施形態を定義するために適用することを要求する場合、請求項は、正にその語句「〜する手段」又は「〜するステップ」を具体的且つ明確に記述し、機能のサポートでこのような語句で任意の構造、材料又は作用を説明することをも伴わずに、語「機能」を記載する（すなわち、「…の機能を実行するための手段」）と記述する。したがって、請求項が、「…の機能を実行するための手段」又は「…の機能を実行するためのステップ」と記載するときでさえ、請求項が、その手段若しくはステップのサポートで何らかの構造、材料若しくは作用をも記載するか、又は記載した機能を果たす何らかの構造、材料若しくは作用をも記載するならば、米国特許法第１１２条６項の但書きを適用しないことが、発明者らの明瞭な意図である。さらに、米国特許法第１１２条６項の但書きが、特許請求される実施形態を定義するために適用される場合でさえ、実施形態は、好ましい実施形態で記載される特定の構造、材料又は作用にのみ限定されず、さらに、代替の実施形態若しくは形態で記載される通りの特許請求される機能を実行する、又は、特許請求される機能を実行するための現在周知の若しくは後に開発される均等な構造、材料又は作用である、任意の全ての構造、材料又は作用を含むことが、意図される。
【００１６】
[0016]本明細書に開示されるシステム、方法、プロセス及び／又は装置のより完全な理解は、以下の例証のための図面と関連させて考えると、詳細な説明を参照することにより得られる可能性がある。図面において、類似の符号は、図面を通して類似の要素又は作用を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】イオン交換カラムにおける物質移動ゾーンを示す図である。
【図２】時間と共にイオン交換カラムの下方に移動する物質移動ゾーンを示す図である。
【図３Ａ】注入口での液体中濃度に対する放出口での液体中濃度の比を時間の関数として示す破過曲線の図である。
【図３Ｂ】カラムに沿って距離の関数としての溶質濃度プロファイルの図である。
【図３Ｃ】物質移動ゾーンの長さの変化を示す図である。
【図４Ａ】例示の実施形態における媒体が利用されなかった場合の、時間０でのシナリオ例の図である。
【図４Ｂ】図４Ａのシステム実施形態における媒体が性能要件を満たす場合の、時間１での例示のシナリオの図である。
【図４Ｃ】図４Ａのシステム実施形態における媒体が性能要件を満たさない場合の例示のシナリオの図である。
【図４Ｄ】図４Ａのシステム実施形態における媒体が性能要件を満たすが、カラム１が十分に利用されない場合の、例示のシナリオの図である。
【図５Ａ】第１の例示のイオン交換媒体、すなわち媒体Ａの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットの図である。
【図５Ｂ】第２の例示のイオン交換媒体、すなわち媒体Ｂの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットの図である。
【図５Ｃ】媒体Ａ、媒体Ｂ、及び第３のイオン交換媒体、すなわち媒体Ｃの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットの図であり、媒体Ｃは、媒体Ａ及び媒体Ｂの均質な混合物である。
【図６】媒体Ａ、媒体Ｂ及び混合媒体Ｃのストロンチウム容量限界の等温線プロットを示す例示の実施形態の図である。
【図７Ａ】３つのサンプリング点及び／又は検出点を有する例示のイオン交換カラムを示す図である。
【図７Ｂ】誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）を使用する、放射能を検出するためのセンサー及び液体をサンプリングするためのサンプリング点を有する例示のイオン交換カラムを示す図である。
【図７Ｃ】イオン交換速度を制御するためにセンサーデータを使用する例示のプロセスを示す図である。
【図８】イオン交換媒体の性能を制御する方法を示す図である。
【図９Ａ】２つの陽イオン交換媒体を含む例示の混合床イオン交換カラムを示す図である。
【図９Ｂ】２つの陰イオン交換媒体を含む例示の混合床イオン交換カラムを示す図である。
【図１０】並列及び直列で流れるカラムを含む例示のイオン交換システムを示す図である。
【図１１】イオン交換カラムの性能を制御する方法を示す図である。
【００１８】
[0038]図面における要素及び作用は、簡潔に示され、必ずしも何らかの特定の配列又は実施形態に従って表されていない。
【００１９】
［詳細な説明］
[0039]以下の説明において、解釈を目的として、多数の具体的な詳細、プロセス期間、及び／又は特定の式値が、例示的実施形態の種々の態様の十分な理解を提供するために記載される。しかし、本明細書における装置、システム及び方法は、これらの具体的な詳細、プロセス期間及び／又は特定の式値なしに実施されてもよいことは、当業者により理解されるであろう。他の実施形態が利用されてもよいこと、並びに本明細書の装置、システム及び方法の範囲から逸脱することなく構造的及び機能的変更がなされてもよいことを理解すべきである。他の例では、例示的実施形態を妨げるのを回避するため、公知の構造及びデバイスが、より広く示され又は検討される。多くの場合に、操作の説明は、特にその操作がソフトウェアで実行される予定である場合、種々の形態を実行可能にするのに十分である。開示されている実施形態が適用されてもよい多くの異なる代替的な構成、デバイス及び技術があることに留意すべきである。実施形態の最大限の範囲は、以下に記載される例に限定されない。
【００２０】
[0040]例示される実施形態の以下の例では、本明細書の一部を形成する添付の図面に言及し、図面においては、本明細書に開示されるシステム、方法、プロセス及び／又は装置が実施され得る種々の実施形態が、例証により示されている。他の実施形態が利用されてもよいこと、並びに本範囲から逸脱することなく構造的及び機能的変更がなされてもよいことを理解すべきである。
【００２１】
（イオン交換）
[0041]イオン交換は、イオン交換媒体からの１つ又は複数の特定の種のイオンの、液体中の異なる種のイオンによる置き換えを伴う。イオン交換媒体は、汚染物質を除去し、液体の再利用又は廃棄を可能にするために、液体の処理でしばしば使用される。いくつかの実施形態では、イオン交換システムは、水性及びその他のイオン含有液体又は溶液の精製、分離及び除染のうちの１つのために使用されてもよい。
【００２２】
[0042]いくつかの実施形態では、イオン交換媒体は、吸着剤（ａｄｓｏｒｂｅｎｔ）又は吸収剤（ａｂｓｏｒｂｅｎｔ）により置換することができる。吸着剤は、イオン対又は中性原子が材料の表面上に捕捉されている媒体である。吸収剤は、イオン対又は中性原子が、材料の内側に捕捉されている媒体である。イオン交換媒体、吸着剤及び吸収剤は、全て「収着剤（ｓｏｒｂｅｎｔ）」として分類されうる。
【００２３】
（イオン交換媒体及びカラム）
[0043]陽イオン交換媒体は、液体からの他の陽イオンとの交換のために陽イオンを手放し、陰イオン交換媒体は、液体からの他の陰イオンとの交換のために陰イオンを手放す。樹脂は、イオン交換媒体のサブセットであり、完全に有機化合物から構成されるか又は有機及び無機化合物の混合物から構成される。混合床イオン交換樹脂は、液体と陽イオン及び陰イオンの両方を交換するために、陽イオン交換媒体及び陰イオン交換媒体の混合物を含むのが一般的である。いくつかの実施形態では、カラムは、理論段に分割されてもよく、各段は、第１のイオン交換媒体及び第２の交換媒体のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。理論段とは、媒体の層をいう。いくつかの実施形態では、層は、イオン交換の有効性を最大にするために、非常に小さく非常に幅広く、非常に小さな粒子である。いくつかの実施形態では、層は、異なる媒体又はその混合物を含んでいてもよい。
【００２４】
[0044]液体は、１つ若しくは複数の選択されたイオンを含まないか又はイオン交換媒体が容量限界（ｃａｐａｃｉｔｙ）に達したかのいずれかになるまで、イオン交換カラム又は複数のカラムを継続的に通過してもよい。イオン交換媒体の容量限界は、もはや部位が利用可能でなく、媒体が１つ又は複数の選択されたイオンを除去する上でもはや有効でなくなる前に媒体が捕捉できるイオンの量をいう。イオン交換媒体は、流出が標的濃度（放出基準）に達したのと同時に容量限界に達するのが理想的である。いくつかの実施形態では、同じ媒体が充填されている複数のイオン交換カラムが、システム内に直列で配置される。第１のカラムは、容量限界に達する（１００％破過）一方で、システム流出は、特定の放射能若しくは濃度（放出基準）又はそれ以下に留まるのが理想的である。
【００２５】
[0045]イオン交換カラム中のイオン交換媒体に、１つ又は複数の対象イオンを含む液体を導入すると、イオン交換が起こっているそのカラムの一部である物質移動ゾーンが生じる。図１は、イオン交換カラム１２０での物質移動ゾーン１００を例示している。イオン交換媒体（収着剤とも称される）が、飽和状態１３５になるとき、物質移動ゾーン１００は、未使用媒体１３０を通ってカラム１２０の下方に移動する。物質移動ゾーン１００がカラム１２０の下方に移動する速度は、イオン交換媒体及び液体の特性、並びに圧力及びその他の水力学的因子（空間速度、線速度）に依存する。物質移動ゾーン１００の長さ及び速度は、カラム１２０に含有される媒体への調節を行うことにより変更されてもよい。
【００２６】
[0046]いくつかの実施形態では、イオン交換カラム１２０は、不溶性重合体媒体及び鉱物性の不溶性媒体（有機樹脂及び無機媒体）、機能性多孔質、ゲル重合体、又はその混合物のうちの１つを含有してもよい。いくつかの実施形態では、イオン交換媒体は、とりわけ、ゼオライト、モンモリロナイト、粘土、ケイ酸チタン、アルカリ金属−金属硫化物、金属有機構造体材料及び土壌腐植質のうちの少なくとも１つを含む。いくつかの実施形態では、イオン交換は、２つの電解質の間、又は電解質溶液と金属錯体との間で起こる。
【００２７】
[0047]図２は、液体がイオン交換カラム１２０の頂部の供給セクション１２５に導入されるときの物質移動ゾーン１００の動きを例示している。物質移動ゾーン１００がカラム１２０の底部に達するとき、イオン交換媒体は容量限界（飽和し、もはやイオンを交換できない）に達している。この事象についての共通用語は、「最大限に投入される」又は「投入される」であり、一般的に１つ又は複数の対象イオンを媒体に投入することに関する。
【００２８】
[0048]図３Ａは、注入口での液体中濃度に対する放出口での液体中濃度の比を時間の関数として示す破過曲線である。破過ポイント又は破過点３００は、活性部位のほとんど又は全てが使用され（媒体の容量限界に達した）、イオン交換がもはや有効でない点を意味する。飽和点３０５は、媒体が十分に飽和されている場合（Ｃｏｕｔ／Ｃ０が１に等しい場合）に起こる。物質移動ゾーンの長さは、複数の濃度で定義されてもよい（例えば、５％〜９５％）。物質移動ゾーン１００の長さは、とりわけ媒体及び平衡条件に依存して変化する場合がある。物質移動ゾーンの長さは、イオン交換プロセスの間に変化する可能性があり、床サイズに依存する可能性がある。物質移動ゾーンが時間と共に短くなる（曲線がより鋭角になる）ことが一般的である。これは、物質移動ゾーンがどこに定義されるかにも依存する（０．５％〜９５．５％対０．００５％〜９９．９９５％）。物質移動ゾーンの稼動点がカラムの終点に達する時間は、時間ｔＢ３１０として定義される。時間ｔＥ３１５は、注入口での液体中の溶質濃度に対する放出口での液体中の溶質濃度の比が９５％に達するのに要する時間である。速度（物質移動ゾーンの速度）は、とりわけ、濃度、イオン交換媒体の容量限界、流速及びその他の水力学的パラメーターに依存する。
【００２９】
[0049]図３Ｂは、物質移動ゾーン１００がカラム１２０の下方に移動するときの破過曲線と物質移動ゾーン１００の位置との間の関係を示している。物質移動ゾーン１００の位置は、点Ｐ１からＰ５の異なる時間間隔で示される。物質移動ゾーン１００は、使用される媒体、及び流入液体の特性に依存する速度で、カラム１２０を通って移動する。Ｐ１は、液体が媒体に導入される以前のカラムを示す。Ｐ２は、物質移動ゾーンがカラムの長さのほぼ中ほどまで下がって位置するときのカラムを示す。Ｐ３は、Ｃｂの放出口濃度を伴う破過ポイントでの物質移動ゾーン１００の位置を示す。点Ｐ４で、注入口溶質濃度に対する放出口溶質濃度の比が、Ｃｅの放出口濃度を伴って９５％に達する。この点を越えると、カラムはＰ５でのその飽和点３０５に近付き、ここではアウトプット濃度が、標識されたＣｓａｔである。
【００３０】
[0050]イオン交換システムで必要とされるカラムの形状及び数は、多くの種々の因子に依存する。全システムで使用されるカラム１２０の数は、特定の流出指針（放出基準）又はシステムのプロセス目標、物質移動ゾーン１００がカラム１２０を移動する速度、及び物質移動ゾーン１００の長さに依存する。速度を変化させると、カラム２２０の長さ、奥行き又は直径の変化を生じることになり、したがって必要とされるカラム１２０の数に影響を及ぼすことになる。イオン交換プロセス全体は、必要とされる可能性があるパイプ、ポンプ、タンク、弁及びその他の機器の量により、非常に複雑で費用がかかる場合がある。イオン交換容量限界を最適化するために使用されるカラムの数を最小限にする方法を開発することは、有効且つ高費用効率の両方である。
【００３１】
[0051]図３Ｃは、経時での物質移動ゾーンの長さの変化の例を示す。示されている実施形態では、物質移動がイオン交換カラムの頂部又はその付近である、イオン交換の開始時（時間１）に、物質移動ゾーンの長さは１０ユニットである。時間２で、物質移動ゾーンの長さは５ユニットに減少した。時間３で、物質移動ゾーンの長さは３ユニットに減少した。示されている実施形態では、時間３で相間の平衡に達し、したがって物質移動ゾーンの長さは、残りのプロセス時間の間は３ユニットで安定化し、操作条件が変化せず維持されると推測される。
【００３２】
（イオン交換媒体の混合）
[0052]媒体をブレンドすることには、潜在的な利益が存在するが、媒体の個別の成分は、均質な混合物を得る上での困難さを引き起こす可能性のある異なる物理特性をしばしば有する。均質な混合物は、混合物中の任意の点で取られる媒体の比が同一を維持する、２つ以上の媒体の混合物である（すなわち、媒体が混合物の全体の比の許容誤差範囲内で混合されていない局在領域がない）。
【００３３】
[0053]２つ以上の媒体を混合し注入する場合、合わせた媒体が十分にブレンドされること、すなわち、粒子が混合物全体にわたって均質に分配／分散されることが重要である。不完全に又は不適切に混合される及び／又は注入される場合、放射状非対称、軸非対称、ポケット、しま、層及び凝集作用のうちの１つ又は複数が、混合媒体中に生じる可能性があり、混合媒体のイオン交換有効性の全体的減少という結果になる。微粉（特定の媒体について最小の粒子サイズより小さな媒体粒子）が生成することを防止することも重要である。多量の微粉は、混合物を規格外にさせる場合があり、孔体積の減少又は生産フロー条件下での媒体の損失によって、高い差圧を引き起こす可能性がある。
【００３４】
[0054]混合機のタイプ及び混合時間は、媒体のタイプ、いくつの媒体が混合されるか、及び媒体の比に依存して変動し得る。いくつかの実施形態では、回転式バッチ混合機が、媒体をブレンドするために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、媒体は、１〜３分間混合されてもよい。他の混合機タイプ及び混合時間も意図される。注入の間の漏斗の使用は、混合物の均質性を維持する助けになる可能性がある。
【００３５】
（混合イオン交換媒体の最適化）
[0055]イオン交換媒体をブレンドすることは、イオン交換システムの費用、性能及び遮断要件を最適化する可能性を有する。混合イオン交換媒体の最適化は、特定のシステムに求められるものに基づいて変動する。最適化パラメーターとしては、イオン交換速度、イオン交換容量限界、媒体コスト、寿命、流出放出基準及びその他の因子などの１つ又は複数の因子が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、媒体が３つの条件：１００％安全性限度（線量）、媒体容量限界１００％使用（システム中で）及び流出基準を同時に満たす場合に、媒体は最適化される。
【００３６】
[0056]化学以外の因子に依存する処置パラメーターは、可変の媒体容量限界の必要性を作り出す可能性がある。いくつかの実施形態では、様々な比率の２つ以上の類似媒体（陽イオン混合床又は陰イオン混合床）を組み合わせてもよい。これらの媒体の混合物は、安全性、経済性、性能及び最適化パラメーターについてカラム及び容器を調節するために使用されてもよい。イオン交換媒体が２つ以上の媒体の混合物である実施形態で、イオン交換容量限界は、媒体の比に関連してもよく、それは、１つ又は複数の特定のイオンを標的とする最適化パラメーターに基づいてもよい。いくつかの実施形態では、混合イオン交換媒体は、陽イオン交換媒体又は陰イオン交換媒体である２つ以上の媒体を含む。いくつかの実施形態では、液体は、２つ以上の対象の陽イオン又は陰イオンを含有する。
【００３７】
[0057]いくつかの実施形態では、高い相対容量限界を有する１つ又は複数のイオン交換媒体は、低い相対容量限界を有する１つ又は複数のイオン交換媒体と混合されてもよい。混合物での高い容量限界のイオン交換媒体の量が大きければ大きいほど、予め決定されている除染因子を維持することがカラムに必要とされることは少なくなる。いくつかの実施形態では、特定の量の２つ以上のイオン交換媒体が、予め決定されている除染因子を達成するために混合されてもよい。除染因子は、液体の除染の前及び後の放射能の比を意味する。
【００３８】
[0058]図４Ａ乃至４Ｄは、３つのイオン交換カラムを直列に含む例示のイオン交換システムを示す。カラム中のイオン交換媒体は、混合陽イオン又は混合陰イオン媒体であってもよい。システムで必要とされるカラムの数、長さ及び直径は、所望される流出濃度及び混合媒体の交換の速度に依存する。２つ以上の媒体を混合して混合陽イオン又は混合陰イオン媒体を形成する場合、媒体の比は、安全性要件及び流出要件のうちの少なくとも１つを満たすように決定されてもよい。図４Ｂに示されているケース１は、媒体混合物が、性能要件を満たすときの例である。図４Ｃ乃至４Ｄに示されているケース２から３は、媒体混合物が、性能要件を達成できないときの例である。
【００３９】
[0059]図４Ａは、利用前（すなわち、流入がカラムにまだ導入されていない）の時間０でのイオン交換システムを示している。示されているイオン交換システムについて、予め決定されている要件は、５％未満の流出規格及び線量率０ｍＳｖ／ｈｒである。時間０には、流出はなく、媒体容量限界は使用されなかった。図４Ｂは、時間１での第１の例であるケース１を示しており、ここでは、流入が図４Ａの例示のシステムに導入されている。ケース１では、カラム１の容量限界は十分に利用されたが、流出は規格未満であり、線量率は規格を満たす。いくつかの実施形態では、システムは、これらの３つの予め決定されている性能基準を満たしているならば、最適化されていると考えられる。
【００４０】
[0060]図４Ｃは、時間１での第２の例であるケース２を示しており、ここでは、流入が図４Ａの例示のシステムに導入されている。ケース２では、カラム１の容量限界は十分に利用され、線量率は規格を満たす。しかし、流出は規格を満たさない。システムは、性能要件を満たすことができなかった。図４Ｄは、時間１での第３の例であるケース３を示しており、ここでは、流入が図４Ａの例示のシステムに導入されている。ケース３では、流出及び線量率は規格を満たすが、カラム１の容量限界は十分に利用されなかった。システムは合格であるが、理想的ではない。
【００４１】
[0061]図５Ａは、第１の例のイオン交換媒体、すなわち媒体Ａの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットである。図５Ｂは、第２の例のイオン交換媒体、すなわち媒体Ｂの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットである。媒体Ａ及び媒体Ｂの両方は、容量限界、多孔性、選択性などの、ある特定の特徴を有するが、その値は異なる。例えば、示されている実施形態では、媒体Ａは、媒体Ｂより高い容量限界を有し、より高価である。低い容量限界を有することは、媒体Ｂが、媒体Ａほどイオン交換において有効でないことを意味する。
【００４２】
[0062]媒体Ａの第１の量を、媒体Ｂの第２の量と混合することは、媒体Ｂより有意な改善である媒体Ｃを生じる。媒体Ｃは、媒体Ａ及び媒体Ｂと異なる容量限界を有し、それは、カラムの総イオン交換容量限界を表す第１及び第２の容量限界の加重平均であってもよい。媒体Ｃは、媒体Ａ及び媒体Ｂの最適化から誘導されて、その費用当たりの高い容量限界のため、さらに効率的なイオン交換をもたらす。いくつかの実施形態では、混合物媒体Ｃは、平均容量限界又は比例的な結果を明確にもたらすことができない場合がある。
【００４３】
[0063]図５Ｃは、媒体Ａ、媒体Ｂ及び第３のイオン交換媒体、すなわち媒体Ｃの、時間の関数としての濃度プロファイルのプロットであり、媒体Ｃは、媒体Ａ及び媒体Ｂの均質な混合物である。示されている実施形態では、媒体Ｃは、第３のイオン交換媒体を表しており、これは、例示の媒体、すなわち媒体Ａ（図５Ａ）及び媒体Ｂ（図５Ｂ）の混合物である。媒体Ｃは、媒体Ｂより低く、媒体Ａより高い容量限界を有する。
【００４４】
（試験データ）
[0064]図６は、同じ最終濃度のイオンでの媒体Ａ（図５Ａ）、媒体Ｂ（図５Ｂ）及び媒体Ｃ（図５Ｃ）の例示の比較を示し、ここで、最終濃度は、最大限に利用されたカラムについての当初の濃度と等しい。媒体Ａを媒体Ｂと混合して、イオン交換システムの総イオン交換容量限界を改善し、結果として、物質移動ゾーンの長さ及び速度の変化を改善してもよく、また従事者に対する線量などの安全性パラメーターを満たすことを確保してもよい。示される例示の実施形態では、媒体Ｃの質量組成は、１０％媒体Ａ及び９０％媒体Ｂである。媒体Ｃの結果は、媒体Ａの媒体Ｂへの添加が、媒体Ｂより改善された有効性及び容量限界を有する混合物を生じることを示す。
【００４５】
（センサー）
[0065]いくつかの実施形態では、システムは、１つ又は複数のセンサー及び／又はサンプリング点を含む。１つ又は複数のセンサーは、とりわけ、流出条件、イオン濃度、交換速度、温度、圧力、放射能及び時間を含めたイオン交換プロセスをモニタリングするために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、１つ又は複数の放射能センサーは、ガンマ放射能を検出してもよく、ここで、ガンマ放射能は全放射能である。いくつかの実施形態では、センサーのうちの１つ又は複数は、放射能を検出するための、及び／又は物質移動ゾーンでエネルギースペクトルガンマ線源を定量的に決定するためのガンマ線分光法センサーであってもよい。いくつかの実施形態では、センサーのうちの１つ又は複数は、物質移動ゾーンでの陽イオン又は陰イオンの存在又は信号を検出するための紫外線−可視スペクトル又は赤外線センサーであってもよい。いくつかの実施形態では、濃度を決定する分析技術は、誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）などのシステムに適用されてもよい。ＩＣＰ−ＭＳは、流出の濃度変化を検出できる。いくつかの実施形態では、ＩＣＰ−ＭＳは、リアルタイムで又はほぼリアルタイムで機能できる。
【００４６】
[0066]いくつかの実施形態では、システムは、１つ又は複数のセンサーにより収集されたデータに応答して、条件を自動的に調節する能力があってもよく、システムのパラメーターを操作する能力があってもよい。例えば、システムは、センサーデータを使用して物質移動ゾーンでのイオン交換プロセスを管理するために、流入濃度、圧力、温度及び流れのうちの１つ又は複数を変化させることにより、交換反応の速度を調節してもよい。いくつかの実施形態では、システムは、リアルタイムで自動調節する能力がある。
【００４７】
[0067]図７Ａは、センサー及びサンプリング点を有する例示のイオン交換カラムにおけるセンサーを示す。イオン交換システムにおける１つ又は複数のカラム１２０は、種々の配置で１つ又は複数のサンプリング点及び／又はセンサーを含んでもよい。示されている実施形態では、例示の交換カラム１２０は、サンプリング及び／又は検出のための３つの配置２４、２５及び２６を含む。例示の実施形態として、流入の流れを決定するための流れセンサー、流入濃度を分析するためのサンプリング点、又はそのセンサー及びサンプリング点の配列（ｃｏｌｌｏｃａｔｉｏｎ）は、配置２４に置かれてもよい。例示の実施形態での配置２５は、流入よりもむしろ流出を決定するために使用されてもよいことを除き、配置２４とほとんど同じでありうる。１つ又は複数のセンサーは、とりわけ、カラム１２０での流速、圧力、温度及び放射能を決定するために配置２６又はその周辺に置くことも可能である。上記の配置２４、２５及び２６並びに結合しているサンプリング点及びセンサーは、単なる例である。サンプリング点及び／又はセンサーは、イオン交換システム中の１つ又は複数のカラム１２０上及び／又はその周辺に、示されていない他の配置で含まれてもよい。
【００４８】
[0068]図７Ｂは、放射能を検出するためのセンサー及びプロセス液体をサンプリングするためのサンプリング点を含む例示の実施形態を示している。示されている実施形態では、センサー２８は、ガンマ放射能を含めてシステムでの放射能を検出するために使用されうる。いくつかの実施形態では、ガンマ放射能は全放射能である。いくつかの実施形態では、放射線センサー２８は、物質移動ゾーンでのエネルギースペクトルガンマ線源を定量的に決定するように構成されている。サンプリング点２７及び２９は、イオンの濃度を決定するための誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）４５などの機器により分析されるプロセス液体のサンプルを収集するために使用されてもよい。
【００４９】
[0069]図７Ｃは、イオン交換速度を制御するためにセンサーデータを使用する例示のプロセスを示す。１つ又は複数のセンサーは、流速、放射能、温度、圧力及びイオン濃度などのシステム中のデータを収集することができる１２００。反応速度が、急速に又はゆっくりと進行しすぎている場合、速度は、流速、温度、圧力及び流入濃度などの１つ又は複数のシステムパラメーターを変化させることにより調節されてもよい１２１０。イオン交換速度は、特定のイオン交換システムにより要求される通りに、ステップ１２００及び１２１０を継続的に、周期的に又は断続的に実行することにより、管理されてもよい１２２０。
【００５０】
（例示の実施形態）
[0070]２つ以上のイオン交換媒体は、結果として生じる混合媒体でのイオン交換速度を含めた１つ又は複数のパラメーターの性能を制御するために混合されてもよい。いくつかの実施形態では、イオン交換速度の改善された性能が、異なる容量限界及びイオン交換速度を有する２つ以上の媒体を一緒に混合することにより達成される。図８は、異なる特徴を有する２つの媒体を含む混合イオン交換媒体の性能を制御する例示の方法を示している。最初に、第２の媒体の量に対する第１の媒体の量の加重平均が、結果として生じる混合媒体について予め決定されている要件に基づいて、確定される８００。その後、第１及び第２の媒体を混合して８１０、第１及び第２の媒体と異なる特徴を有する混合媒体を生じる。
【００５１】
[0071]例として、システムは、１リットルのカラムを含み、１ｍＳｖ／ｈｒの線量率を達成する必要がある。放射能が１ｍＳｖ／ｈｒに達するとき、カラムは２０ｍｇ／Ｌの等価容量限界を有することになる。例示の媒体Ｑは、１０ｍｇ／Ｌの容量限界を有し、例示の媒体Ｒは、１００ｍｇ／Ｌの容量限界を有する。線量要件を満たすために、媒体Ｑ及び媒体Ｒの混合物は、２０ｍｇ／Ｌの容量限界を有する必要がある。混合物中で各媒体がどの程度必要とされるかを決定するために、方程式１を使用してもよい。
【数１】
2019527125.tif 000003
式中、ｘは、必要とされる媒体Ｑのパーセントであり、ｙは、必要とされる媒体Ｒのパーセントである。
【００５２】
[0072]方程式２は、混合媒体の１００％が、媒体Ｑ及び媒体Ｒで構成されることを示す。
ｘ＋ｙ＝１    （２）
ｘについて方程式２を解くと、
ｘ＝１−ｙ    （３）
となる。
【００５３】
[0073]ｙを解くため、方程式３を方程式１のｘに代入するのに使用してもよい。
１０（１−ｙ）＋１００（ｙ）＝２０    （４）
（１−ｙ）＋１０（ｙ）＝２    （５）
１＋９ｙ＝２    （６）
【数２】
2019527125.tif 000004
ｘを解くと、
ｘ＝１−０．１１１＝０．８８９＝８９％    （８）
【００５４】
[0074]したがって、例示の混合媒体は、適正量要件を満たすには、媒体Ｙ１１％及び媒体Ｑ８９％である必要がある。
【００５５】
[0075]混合媒体を、イオン交換カラムに導入する８２０。その後、汚染された液体をカラムに導入し８３０、ここで、例示の実施形態においては、汚染された液体は２つの陽イオンを含む。汚染された液体の混合媒体への導入は、そのカラム内に物質移動ゾーンを作り出す。物質移動ゾーンは、混合媒体の交換速度でカラムを移動する。カラムの長さ、直径及び数は、混合媒体の交換速度に依存する。
【００５６】
[0076]図９Ａ及び９Ｂは、２つの媒体を含む例示の混合床イオン交換カラムを示している。図９Ａは、２つの陽イオン交換媒体１０及び１５を含む例示の混合床イオン交換カラム１２０を示している。図９Ｂは、２つの陰イオン交換媒体１１及び１６を含む例示の混合床イオン交換カラム１２０を示している。示されている実施形態では、流入は、２つの対象イオン（図９Ａにおいて２つの陽イオン、図９Ｂにおいて２つの陰イオン）を含む汚染された液体である。２つ以上の媒体の混合物は、等しいか又は異なる誘引強度を有する２つ以上のイオンの同時交換を可能にする。図１０に示されたものなどの、いくつかの実施形態では、２つ以上のイオン交換カラムは、直列及び／又は並列で流れるように構成されてもよい。
【００５７】
[0077]図１１は、２つのイオン交換媒体を含むイオン交換カラムの性能を制御する例示の方法を示している。いくつかの実施形態では、混合床イオン交換カラムは、図１１に示した方法により操作するように構成される。最初に、液体でのイオンの濃度を決定する９００。最大限に投入されたときの混合床イオン交換カラムの安全性及び線量制限が決定される９１０。その後、第２のイオン交換媒体に対する第１のイオン交換媒体の比を決定し９２０、その比は、特定のイオンを標的とする混合媒体の最適化された交換に基づいて決定され、その比は、混合床イオン交換カラムの総イオン交換容量限界を表す。混合床イオン交換カラムを、１つ又は複数のセンサーでモニタリングし９３０、そのセンサーが、汚染された液体についての放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを検出する。汚染された液体での放射能及びイオン濃度のうちの少なくとも１つを含むセンサーデータを使用して９４０、物質移動ゾーンの速度及び物質移動ゾーンの長さを決定することのうちの少なくとも１つにより、イオン交換カラムのサイズを決定する。
【００５８】
[0078]いくつかの実施形態では、イオン交換システムは、とりわけ、液体中のイオン濃度、最大限に投入されたときのシステムの安全性及び放射線量限度、温度、圧力、流速、交換速度、並びに物質移動ゾーンの長さ及び／又は位置のうちの１つ又は複数に関連したデータを収集するための１つ又は複数のセンサーを含む。
【００５９】
[0079]以上の説明は、単に１つの例示の実施形態であることは明らかであろう。記載されている実施形態の任意の１つ又は複数の態様は、本明細書に明確に開示されていない他の実施形態に組み込まれてもよい。
【００６０】
[0080]利便性のために、操作は、種々の相互接続した機能性ブロック又は別個のソフトウェアモジュールとして記載されている。しかし、これは、必須ではなく、これらの機能性ブロック又はモジュールは、不明瞭な境界を有する単独のロジックデバイス、プログラム又は操作に、同等になるようにまとめられている場合があってもよい。任意の事象で、機能性ブロック及びソフトウェアモジュール又は記載されている特性は、それ自体、又はハードウェア若しくはソフトウェアのいずれかで他の操作との組み合わせで、実行され得る。
【００６１】
[0081]本明細書に開示されるシステム、方法、プロセス、及び／又は装置の原理について、好ましい実施形態で説明及び例示してきたが、システム、方法、プロセス及び／又は装置が、このような原理から逸脱することなく配列及び詳細において改変されていてもよいことは明らかであろう。以下の特許請求の範囲の概念及び範囲内に入る全ての改変及び変動について、特許請求項がなされる。
【００６２】
[0082]独占的な財産又は特権が主張される実施形態は、以下の通り定義される。
【図１】
2019527125.tif 000005
【図２】
2019527125.tif 000006
【図３Ａ】
2019527125.tif 000007
【図３Ｂ】
2019527125.tif 000008
【図３Ｃ】
2019527125.tif 000009
【図４Ａ】
2019527125.tif 000010
【図４Ｂ】
2019527125.tif 000011
【図４Ｃ】
2019527125.tif 000012
【図４Ｄ】
2019527125.tif 000013
【図５Ａ】
2019527125.tif 000014
【図５Ｂ】
2019527125.tif 000015
【図５Ｃ】
2019527125.tif 000016
【図６】
2019527125.tif 000017
【図７Ａ】
2019527125.tif 000018
【図７Ｂ】
2019527125.tif 000019
【図７Ｃ】
2019527125.tif 000020
【図８】
2019527125.tif 000021
【図９Ａ】
2019527125.tif 000022
【図９Ｂ】
2019527125.tif 000023
【図１０】
2019527125.tif 000024
【図１１】
2019527125.tif 000025
【国際調査報告】
2019527125.tif 000026
2019527125.tif 000027
2019527125.tif 000028